操舵系統(tǒng)故障模式分析（FMEA）的設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉靖嶠，劉 健，楊亞男，劉榮忠

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

操舵系統(tǒng)故障模式分析（FMEA）的設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉靖嶠1，劉 健2，楊亞男2，劉榮忠2

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

根據(jù)操舵系統(tǒng)的功能和相互之間的關(guān)系，將操舵系統(tǒng)詳細(xì)拆分為15個(gè)部件層級(jí)；通過(guò)對(duì)各個(gè)部件功能和輸入輸出信號(hào)的梳理，繪制操舵系統(tǒng)功能框圖，采用各種圖例標(biāo)識(shí)操舵系統(tǒng)各個(gè)部件邏輯關(guān)系；在此基礎(chǔ)上將故障模式分為輸入和輸出2大類，完成操舵系統(tǒng)各系統(tǒng)層級(jí)的故障模式分析報(bào)告；繼而按故障影響嚴(yán)重程度提出改進(jìn)措施，使之降低到較輕等級(jí)；由此總結(jié)出操舵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的配置要求和設(shè)計(jì)中需考慮的系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵備件。

故障模式分析；嚴(yán)重度；功能框圖；故障影響；設(shè)計(jì)應(yīng)用

0 引言

故障模式分析，即潛在失效模式與后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA），是在產(chǎn)品/過(guò)程/服務(wù)等的策劃設(shè)計(jì)階段，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、部件及對(duì)構(gòu)成過(guò)程、服務(wù)的各個(gè)程序逐一進(jìn)行分析，找出潛在的失效模式，分析其可能的后果，評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)，從而預(yù)先采取措施，減少失效模式的嚴(yán)重程度，降低其可能發(fā)生的概率，以有效地提高質(zhì)量與可靠性，確保顧客滿意的系統(tǒng)化活動(dòng)[1]。FMEA有三種類型，分別是系統(tǒng)FMEA、設(shè)計(jì)FMEA和工藝FMEA。操舵系統(tǒng)是控制船舶運(yùn)動(dòng)方向的系統(tǒng)，是關(guān)系船舶安全航行、作業(yè)并使船舶具有良好操縱性的在設(shè)計(jì)中應(yīng)用重要系統(tǒng)之一，本文采用系統(tǒng)FMEA的方法對(duì)操舵系統(tǒng)的設(shè)備組成和功能進(jìn)行科學(xué)合理分類，組織開(kāi)展故障模式和影響分析，分析零部件故障或損壞的一般程度的影響和較高程度的影響，依次來(lái)判斷對(duì)操舵系統(tǒng)的總體影響，總結(jié)出船舶操舵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[2]。

1 操舵系統(tǒng)分類及定義

操舵系統(tǒng)系是指將舵令由駕駛室傳送至操舵裝置動(dòng)力設(shè)備，操舵裝置動(dòng)力設(shè)備遵從舵令推動(dòng)舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)。操舵系統(tǒng)按照功能可以分為操舵機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、舵角指示系統(tǒng)。

操舵機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓泵站，將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能從而帶動(dòng)舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)；操舵機(jī)構(gòu)由操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)泵站、膨脹油箱、儲(chǔ)存油箱和手動(dòng)泵組成[3]。

控制系統(tǒng)是指通過(guò)馬達(dá)控制箱、操舵控制屏來(lái)控制操舵機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)、停止和舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)角度和方向；控制系統(tǒng)由馬達(dá)控制箱、控制系統(tǒng)單元、控制屏、電氣控制箱（舵機(jī)艙）、非隨動(dòng)操作屏、隨動(dòng)操作手輪和啟動(dòng)、停止和自動(dòng)運(yùn)行指示屏組成[4]。

報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)安裝在操舵系統(tǒng)中的各種傳感器，監(jiān)控操舵系統(tǒng)的油壓、油溫、電力供應(yīng)狀態(tài)等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并通過(guò)聲音和燈光信號(hào)向操作人員報(bào)警；報(bào)警系統(tǒng)由各傳感器和報(bào)警屏組成[4]；

舵角指示系統(tǒng)通過(guò)舵角反饋單元將機(jī)械舵角轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送并在駕駛室、舵機(jī)艙、主機(jī)集控室等船上需要的各部位顯示。舵角指示系統(tǒng)由舵角反饋單元、舵角放大器、舵角指示器組成[4]。

2 操舵系統(tǒng)各部分功能與相互聯(lián)系

操舵系統(tǒng)各部分功能與相互聯(lián)系如下：

1）操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)

操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)是操舵系統(tǒng)中舵令的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓油管與電動(dòng)泵站連接，接收電動(dòng)泵站輸出的液壓能量并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；通過(guò)舵柄與舵桿聯(lián)接，將機(jī)械能輸出到舵桿和舵葉，推動(dòng)舵葉按舵令運(yùn)行。操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)成與液壓油缸類似，除密封裝置易損壞外，其余均為鋼質(zhì)不易損壞。

2）電動(dòng)泵站

電動(dòng)泵站為操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供液壓動(dòng)力源，其通過(guò)接收馬達(dá)控制箱輸出的電源和控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換成液壓動(dòng)力輸出至操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)泵站主要由電動(dòng)機(jī)、油泵、液壓油箱、功能閥組、報(bào)警傳感器等組成，如果沒(méi)有特殊要求，電動(dòng)泵站設(shè)有缺相、失電、低液位、濾器堵塞、液壓鎖定、高油溫報(bào)警。

3）膨脹油箱

膨脹油箱是為操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)液壓泵站進(jìn)行補(bǔ)油和回收溢油的裝置，其通過(guò)液壓管路與操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)液壓泵站連接，采用重力的方式完成補(bǔ)油和回收溢油。

4）儲(chǔ)存油箱

儲(chǔ)存油箱是為膨脹油箱補(bǔ)油的裝置，其通過(guò)液壓管路與膨脹油箱連接，采用手動(dòng)泵向膨脹油箱補(bǔ)油。

5）馬達(dá)控制箱

馬達(dá)控制箱為電動(dòng)泵站、電氣控制箱（舵機(jī)艙）、報(bào)警單元和舵角反饋單元提供電源，同時(shí)作為電動(dòng)泵站的電氣控制箱，接收外部電源和液壓泵站報(bào)警傳感器信號(hào)并送至舵機(jī)報(bào)警單元。

6）控制系統(tǒng)單元

控制系統(tǒng)單元是隨動(dòng)操舵的中央處理器，接收操舵指令和實(shí)際舵角的反饋信號(hào)，自動(dòng)按照操舵指令控制電動(dòng)泵站和操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)單元電源來(lái)自于電氣控制箱（舵機(jī)艙），并向泵站指示屏提供電源，接收電氣控制箱（舵機(jī)艙）、馬達(dá)控制箱、隨動(dòng)操作手柄、非隨動(dòng)操作手柄（駕駛室）、舵角信號(hào)放大器輸出的電信號(hào)，同時(shí)向馬達(dá)控制箱，泵站指示屏發(fā)送電信號(hào)。

7）控制屏

控制屏可通過(guò)控制系統(tǒng)單元進(jìn)行泵站選擇、操舵方式選擇，其由船舶電力系統(tǒng)供電。

8）隨動(dòng)操作手柄

隨動(dòng)操作手柄將操舵指令由機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)并傳輸給控制系統(tǒng)單元，其由控制屏供電。

9）非隨動(dòng)操作屏

非隨動(dòng)操作屏將操舵指令由機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)并傳輸給電動(dòng)泵站上的電磁閥。

10）電氣控制箱（舵機(jī)艙）

電氣控制箱（舵機(jī)艙）為控制系統(tǒng)單元提供電源，將操舵指令（包括隨動(dòng)和非隨動(dòng)）由機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)并傳輸給馬達(dá)控制箱。

11）泵站運(yùn)行狀態(tài)指示屏

泵站運(yùn)行狀態(tài)指示屏顯示電動(dòng)泵站的狀態(tài)；泵站運(yùn)行狀態(tài)指示屏接收控制系統(tǒng)單元的電源信號(hào)和泵站狀態(tài)電信號(hào)。

12）報(bào)警屏

報(bào)警屏接收馬達(dá)控制箱發(fā)出的報(bào)警信號(hào)，并發(fā)出聲光報(bào)警；報(bào)警屏由馬達(dá)控制箱供電。

13）舵角反饋單元

舵角反饋單元將舵葉角度的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并發(fā)送至舵角信號(hào)放大器，其由馬達(dá)控制箱供電。

14）舵角信號(hào)放大器

舵角信號(hào)放大器由船舶電力系統(tǒng)供電，其接收舵角反饋單元發(fā)送的舵角電信號(hào)并將其發(fā)送到舵角指示器和控制系統(tǒng)單元。

15）舵角指示器

舵角指示器由船舶電力系統(tǒng)供電，接收舵角信號(hào)放大器電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為可視機(jī)械信號(hào)。

3 操舵系統(tǒng)功能框圖

由上文可見(jiàn)，操舵系統(tǒng)是一個(gè)包括機(jī)械、液壓、強(qiáng)電和弱電在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)，現(xiàn)將操舵系統(tǒng)各部分的傳輸信號(hào)分為機(jī)械信號(hào)（代號(hào) MS）、液壓動(dòng)力（代號(hào)HP）、液壓油（代號(hào)HO）、電源（代號(hào)EP）和電信號(hào)（代號(hào)ES），以箭頭的指示信號(hào)的傳輸方向，得到圖1操舵系統(tǒng)功能框圖。

4 操舵系統(tǒng)故障模式分析

根據(jù)操舵系統(tǒng)的功能要求，首先按照最基本的配置設(shè)計(jì)操舵系統(tǒng)，即操舵系統(tǒng)各部分采用最低配置，不考慮冗余，得到操舵系統(tǒng)配置如下：

操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)：1套；電動(dòng)泵站：1套；膨脹油箱：1套；儲(chǔ)存油箱：1套；馬達(dá)控制箱：1套；控制系統(tǒng)單元：1套；控制屏：1套；隨動(dòng)操作手柄：1套；非隨動(dòng)操作屏：1套；電氣控制箱（舵機(jī)艙）：1套；泵站運(yùn)行狀態(tài)指示屏：1套；報(bào)警屏：1套；舵角反饋單元：1套；舵角信號(hào)放大器：1套；舵角指示器：1套；船舶系統(tǒng)供電：1路。

故障模式和影響分析報(bào)告表如表1所示。

圖1 操舵系統(tǒng)功能框圖[5]

表1 故障模式和影響分析報(bào)告表[5]

續(xù)表1（I）

5 結(jié)論

根據(jù)操舵系統(tǒng)故障模式分析報(bào)告，可以在操舵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行如下改進(jìn)：

1）操舵系統(tǒng)中電動(dòng)泵站、馬達(dá)控制箱是關(guān)鍵部件，必須設(shè)有備用電動(dòng)泵站和馬達(dá)控制箱，建議每套操舵系統(tǒng)設(shè)有2套電動(dòng)泵站和馬達(dá)控制箱，正常工作時(shí)使用1套電動(dòng)泵站和馬達(dá)控制箱，另1套備用。

2）操舵系統(tǒng)中報(bào)警屏、舵角反饋單元、舵角信號(hào)放大器、舵角指示器，雖然失效后不會(huì)引起災(zāi)難性后果，但給操作帶來(lái)危險(xiǎn)和危險(xiǎn)，而且增加人工勞力，建議每套操舵系統(tǒng)中上述部件至少2套。

3）此外，操舵系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)備件必須有操舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)密封、液壓管和液壓管接頭。

綜上所述，F(xiàn)MEA在船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以有效的提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，F(xiàn)MEA報(bào)告也逐漸被列入各船級(jí)社設(shè)計(jì)圖紙送審目錄中，F(xiàn)MEA值得船舶設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)借鑒和應(yīng)用。

[1]Lloyd’s Register.Lloyd’s Register Rules and Regulations for the Classification of Naval Ship[S],2011.

[2]崔文彬,魏一.船舶安全評(píng)估使用 FMEA 方法的分析及改進(jìn)[J].航海技術(shù),2006(5):50-51.

[3]費(fèi)千.船舶輔機(jī)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2005.

[4]趙殿禮.船舶輔機(jī)電氣控制系統(tǒng)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2003.

[5]MSIS 011/Annex 4.Procedures for Failure Mode Effects Analysis[R/OL].https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/292225/msis34_annex_4_2008_itos_rev1.01.pdf.

Application of FMEA on the Steering System Design

LIU Jing-qiao1,LIU Jian2,YANG Ya-nan2,LIU Rong-zhong2
(1.Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China; 2.Hudong-Zhonghua Shipbuilding(Group) Co.,Ltd.,Shanghai 200129,China)

The steering system is divided into 15 parts according to its function and relationship between each other.After analyzing the function and the input/output signal of each part,the function block diagram is drawn using different signs for describing the interface between the parts.The failure mode of steering system is then divided into input and output types based on above work.According to the degree of the influence caused by the part failure,the corrective action is introduced to reduce the degree of its influence.On basis of the above work,the conclusion of the design requirement of the steering system is drawn and the key spares which need to be considered carefully during the design work are listed.

failure mode analysis; severity class; block diagram; failure effect; design application

U672

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.014

劉靖嶠（1972-），男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事船舶舾裝設(shè)計(jì)工作。